В этом случае закон сохранения полной механической энергии тела, отведенной вертикально в любую точку его пути, записывается как (d).
Энергия
Только благодаря энергии существует жизнь на нашей планете. Энергия приходит в разных формах. Тепло, свет, звук, микроволны и электричество — все это различные виды энергии. Все процессы в природе требуют энергии. Каждый процесс преобразует один вид энергии в другой. Еда — картофель, хлеб и т.д. — Это энергетические магазины. Почти вся энергия, которую мы используем на Земле, поступает от Солнца. Солнце передает Земле столько энергии, сколько вырабатывают сто миллионов мощных электростанций.
Энергия приходит в разных формах. Помимо тепловой, световой и акустической энергии, существует химическая, кинетическая и динамическая энергия. Электрические лампы излучают тепловую и световую энергию. Звуковая энергия передается с помощью волн. Волны заставляют барабан вибрировать, и таким образом получается звук. Химическая энергия высвобождается в ходе химических реакций. Пища, топливо (углерод, нефть, бензин) и батареи — все это химические запасы. Пища — это запас химической энергии, которая поступает в организм.
Суды обладают кинетической энергией, или кинетической энергией. Чем быстрее движется тело, тем больше кинетическая энергия. Когда тело теряет скорость, теряется кинетическая энергия. Намекая на неподвижный объект, движущееся тело уносит с собой часть своей кинетической энергии и перемещает его. Животные преобразуют часть энергии, которую они получают из пищи, в кинетическую энергию.
Тела, находящиеся в поле действия таких сил, как гравитация и магнетизм, обладают потенциальной энергией. Шины или покрышки (которые обладают способностью растягиваться) имеют потенциальное напряжение или эластичность. Маятник обладает максимальной потенциальной энергией, когда он находится в высшей точке. Когда пружина разворачивается, она высвобождает потенциальную энергию и вращает часовое колесо. Растения получают энергию от солнца, производят питательные вещества и создают запасы химических веществ.
Превращение энергии
Согласно законам сохранения энергии, энергия ничем не создается и не пропадает бесследно. По сути, во всех процессах один вид энергии преобразуется в другой. В линзовой батарее химическая энергия преобразуется в электричество. В лампах электричество преобразуется в тепловую и световую энергию. Были приведены примеры этой «энергетической цепочки», чтобы показать, как один вид энергии может быть преобразован в другой.
Углерод — это остатки спрессованных растений, живших много лет назад. Когда-то они получали энергию от солнца. Углерод — это химическое хранилище энергии. При горении углерода его химическая энергия преобразуется в тепловую. Тепловая энергия нагревает воду, которая испаряется. Пар вращает турбину, производя кинетическую энергию — кинетическую энергию. Генераторы преобразуют кинетическую энергию в электричество. Различные устройства — лампы, телевизоры, обогреватели, магнитофоны — потребляют электричество и преобразуют его в звук, свет и тепло.
Конечным результатом многих процессов преобразования энергии является свет и тепло. Энергия не теряется, но она улетучивается в пространстве, и ее трудно собрать и использовать.
Солнечная энергия
Солнечная энергия достигает Земли в виде электромагнитных волн. Только так энергия может быть передана в открытое пространство. Фотоэлектрические элементы можно использовать для создания электроэнергии или нагрева воды с помощью солнечных панелей. Коллекторы поглощают тепловую энергию солнца. На изображении показан поперечный разрез коллектора. Черные панели поглощают тепловую энергию солнца, и вода в трубах нагревается. Это крыша дома, нагретая солнцем. Солнечная энергия передается воде, используемой для бытовых нужд и отопления. Избыток тепла поступает в резервуар для хранения энергии. Энергия накапливается в результате химических реакций.
Энергия нужна нам для освещения и отопления наших домов, приготовления пищи, работы наших заводов и движения наших автомобилей. Он образуется в результате сгорания топлива. Существуют и другие способы производства энергии, например, гидроэнергетика. Почти половина населения Земли сжигает древесину, удобрения или углерод для приготовления и подогрева пищи.
Древесину, углерод, нефть и газ называют невозобновляемыми порами, потому что они используются только один раз. Солнце, ветер и вода являются возобновляемыми ресурсами, поскольку они не исчезают в процессе производства энергии. В своей деятельности MAN использует для производства энергии 77% минеральных ресурсов, 11% древесины, 5% возобновляемых источников энергии и 3% ядерной энергии. Мы называем углерод, нефть и природный газ ископаемым топливом. Они образовались из останков растений и животных. Почти 20% энергии, которую мы используем, поступает из углерода. При сгорании топлива в атмосферу выбрасывается углекислый газ и другие газы. Это является частью таких явлений, как кислотные дожди и парниковый эффект. Только около 5% нашей энергии поступает из возобновляемых источников. Эта энергия поступает от солнца, воды и ветра. Другим возобновляемым источником энергии являются газы, образующиеся при септицемии. При разложении органических веществ выделяются такие газы, как метан. Это основной компонент природного газа, который используется для обогрева домов и воды. Люди используют энергию ветра для питания своих яхт и вращения ветряных турбин на протяжении тысяч лет. Ветер также может производить электричество и забирать воду.
Киловатт-час (напоминаем, что это единица измерения энергии) равен количеству энергии, потребляемой (вырабатываемой) устройством мощностью один киловатт (единица измерения мощности) за один час (единица измерения времени).
Работа и энергия в физике — зачем это нужно?
Зачем вам нужна энергия, если у вас есть работа? Это хороший вопрос. Его непреднамеренно ставит тот, кто первым встречает определение энергии и энергии как меры способности производить проект.
Есть масса, есть сила, есть работа. Почему необходимо вводить неявное удаление в эту непрерывную последовательность? Что вы имеете в виду под «трудоспособностью»? Как будто она не может существовать. Представим, что энергия как натуральная величина в этом случае не существует. Решим формальную проблему проекта в этом случае.
Условие. Автомобиль прошел путь 3500~км$. Определите работу, совершенную автомобилем, если он имеет силу тяги $20~кН$.
Решение. Работа равна произведению величины силы на пройденный путь — $A=F\Delta s$. Величина силы дана в условии задачи в виде силы тяги в $20~кН$. Переведем величины в СИ и подставим в формулу: $A= 20\cdot 10^3~Н \cdot 2000~м=40000000~Дж=40~мДж$
Машина совершила работу в 40 мегаджоулей. Но насколько легко мы можем сделать вывод, что автомобиль действительно это сделал? Да, номинально двигатель приводит в движение автомобиль с помощью тяги, и он проезжает два километра. Но что произойдет, если машина не поедет? Потому что в нем нет бензина? Двигатель не может запуститься без ничего — ему нужна энергия для выработки всей этой мощности.
Абстрактное понятие энергии позволяет нам измерять именно такие нюансы. Каждая сила, реакция, процесс или движение требуют для своего возникновения некоторого «бензина». Например, ваше тело обладает силой и может передвигать тяжелые ящики, но если вы не съедите полноценный обед, то не сможете полностью раскрыть свой потенциал.
Единицы измерения энергии
Действия обозначаются заглавной латинской буквой $E$.
Логично, что единица энергии совпадает с проектом, так как энергия определяет осуществимость проекта. Поэтому энергия измеряется в джоулях, $J$. Однако, поскольку энергия — это многогранная мера, применимая ко всем системам, а не только к механическим, на практике ее чаще всего выражают в более удобных внесистемных единицах.
- Калории как единицы измерения энергии . 400~кал$ равняется $4,1868~Дж$. Одна из разновидностей калорий вам прекрасно знакома — на обертке продуктов вы наверняка обращали внимание на пункт «калорийность». Он сообщает энергетическую ценность пищи. К примеру, средняя калорийность одного кусочка пиццы «Маргарита» составляет $200~ккал$. Можно потратить эту энергию примерно на часовое мытье окон в квартире. А еще одного кусочка «Маргариты» хватит, чтобы два часа мыть посуду.
- Киловатт-час ы как единицы измерения энергии . В электроэнергетике энергия часто выражается в киловатт-часах, где 400~кВт\cdot ч= 3,6~МДж$. Вам обязательно встретится эта единица, если вы внимательно осмотрите сводку коммунальных платежей за «электричество» или в простонародье — «за свет».
Задача на энергию, деньги и пиццу «Маргарита»!
Среднестатистический компьютер потребляет около
Формы энергии
Несмотря на свою причудливость и относительную искусственность, физическая концепция энергии может быть применена для описания огромного количества систем. От простых рычагов до ядер, которые были изучены недавно. Если процесс или этот процесс может происходить (даже если тело неподвижно, может ли оно двигаться при необходимости?) ), с помощью энергии можно рассчитать, сколько «бензина» необходимо для осуществления процесса или сколько «бензина» в итоге выделится.
,2~кВт$ электроэнергии в час. Скажем, что в день компьютер включен в течение шести часов. В среднем цена за 400~кВт\cdot ч$ в центральной России составляет $6$ рублей. Сколько средств вам необходимо будет внести в счет оплаты электроэнергии за месяц в $30$ дней?
И если работодатель предлагает вам работу за 50 долларов в час, сколько пицц с маргаритками вам нужно съесть, чтобы сделать себе окно, в котором можно помыть эти деньги?
Посчитаем, какая сумма за месяц в тридцать дней выйдет. В день мы расходуем
Понятие энергии и еще пару слов об абстракциях
Вычитание — это не так страшно, как вы думаете. Посмотрите на огромный пласт природных явлений, которые можно объяснить тем, что существует абстрактная «нефть», или энергия.
С другой стороны, имеет смысл отметить, что ‘Если энергия — это контракт, то вычитание номинально не существует, и мы как-то договорились называть многие вещи «энергией»‘. Как мы можем получить то, чего не существует? И с его помощью объяснить что-то, что действительно существует? Тепло, свет, химия, движение?»
И задайте этот вопрос математикам!
Очень трудно найти человека, который не понимает значения чисел, и все же, когда мы думаем о них, они не существуют в природе. Мы специально изобрели их, объяснили и ввели в оборот. Предположим, перед вами конкретная гора персиков, но вы можете представить эту гору персиков как абстрактную, несуществующую концепцию «семи персиков» без каких-либо умственных усилий. В этом отношении чем энергия хуже чисел?
В конце концов, понятие энергии также позволяет нам определить ключевой момент в физике — момент «до» приложения силы.
,2~кВт\cdot 6~ч$ киловатт-час энергии. В месяц — ,2~кВт\cdot 6~ч\cdot 30=36~кВт\cdot ч$. С учетом цены в $6$ рублей за киловатт-час получаем сумму $S$:
Если работодатель предлагает ставку $50$ руб/ч, чтобы покрыть сумму за электроэнергию, придется работать $\frac$ часов. Округлять нужно в большую сторону, ведь если мы отработаем ровно $4~ч$ по $50$ руб/ч, нам не хватит $16$ рублей для оплаты счета. Значит, окна мы будем мыть $5$ часов, заработав при этом $250$ рублей.
Помните о соотношении между работой и калорийностью пищи: чем больше работы вы выполняете, тем больше калорий вы сжигаете.
На пять часов работы нам придется израсходовать $1000~ккал$ энергии. В эквивалентах еды, это равняется пяти кусочкам пиццы. Выходит, чтобы получить электроэнергию, нужно в том числе потратить энергию — на заработок денег. Чтобы потратить энергию на заработок, нужно ее вновь откуда-то получить , то есть покушать. Такой вот круговорот, и вообще без разницы, какие единицы измерения энергии имеются в виду.
Например, почему держать ведро, наполненное водой, в течение долгого времени так утомительно? Поскольку смещение нулевое, механическая работа отсутствует! Чтобы убедиться, что удержание ведра не является работой в естественном смысле этого слова, поставьте ведро на пол. Пол будет «держать» ведро столько, сколько вы захотите, не уставая.
Кинетическая и потенциальная энергия. Закон сохранения энергии
Энергия — это масштабируемая величина. В системе СИ единицей измерения энергии является джоуль.
Различают два вида энергии: кинетическая энергия и динамическая энергия.
Потенциальная энергия — это энергия, определяемая взаимным положением тел и характером сил взаимодействия между этими телами.
Потенциальная энергия гравитационного поля Земли — это энергия, обусловленная гравитационным взаимодействием между телами и Землей. Она определяется положением тела по отношению к Земле и равна работе силы тяжести, которая может переместить тело из определенного положения в нулевое.
Потенциальная энергия деформированного шиной тела — это энергия, обусловленная взаимодействием между частями тела. Она равна работе внешних сил в диапазоне незатухающей пружины (сжатие).
Тело может обладать как кинетической, так и потенциальной энергией.
Общая механическая энергия тела или системы тел равна сумме кинетической и динамической энергии тела (системы тел).
Закон сохранения энергии
Законы сохранения энергии применимы к замкнутым системам тел.
-
полная механическая энергия замкнутой системы тел есть величина постоянная:
Если на тело (или систему тел) воздействуют внешние силы, например, трение, закон сохранения механической энергии не выполняется. В этом случае изменение валовой механической энергии (системы тела) равно работе внешней силы.
Закон сохранения энергии позволяет определить количественные соотношения между различными формами движения материи. Как и закон сохранения импульса, он применим не только к механическому движению, но и ко всем явлениям природы. Закон сохранения энергии, по сути, диктует, что ничто не может разрушить или создать энергию.
В общем виде закон сохранения энергии можно сформулировать следующим образом
- энергия в природе не исчезает и не создается вновь, а только превращается из одного вида в другой.
Примеры решения задач
| Задание | Пуля, летящая со скоростью 400 м/с, попадает в земляной вал и проходит до остановки 0,5 м. Определить сопротивление вала движению пули, если ее масса 24 г. |
| Решение | Сила сопротивления вала – это внешняя сила, поэтому работа этой силы равна изменению кинетической энергии пули: |
Сила сопротивления оси направлена против направления движения сферы, поэтому работа этой силы выглядит следующим образом
Изменение кинетической энергии сферы:.
Закон сохранения энергии
Энергия замкнутой физической системы сохраняется. Закрытые системы — это системы, в которых действуют только консервативные силы.
Закон сохранения механической энергии
Общий итог для динамики и локомоции тела остается неизменным, если действуют только силы упругости и гравитации и отсутствуют силы трения.
Потенциальная энергия гравитационного поля выражается уравнением.
G — это ускорение силы тяжести, н/кг или м/c2.
H — высота положения тела на поверхности, м.
Положение нуля тела может считаться подходящим в зависимости от условий эксперимента и проводимых измерений. Это может быть поверхность пола, стол, земля и т.д.
Закон сохранения энергии для математического маятника
Закон сохранения энергии в поле гравитации хорошо иллюстрируется математическим движением маятника.
В положениях 1 и 3 высота H шарика оседает и его кинетическая энергия равна нулю, его динамическая энергия MGH. При переходе из положения 1 в положение 2 высота и динамическая энергия уменьшаются, но скорость и кинетическая энергия увеличиваются, причем максимум в положении 2 равен MV2/2, а минимум динамической энергии равен нулю.
Груз, поднимающийся над землей, не выполняет работу, но может ее выполнить, если начнет падать. Например, потенциальная энергия падающей воды может быть преобразована в механическую энергию жернова.
Потенциальная энергия пружины
Потенциальная энергия описывает взаимодействие частей тела друг с другом и приближается к масс-медиа
где k — жесткость деформируемого тела, н/м, и
Δx — смещение от положения равновесия.
Если пружина не растянута, то потенциальная энергия пружины равна нулю.
В расслабленном состоянии сжатая пружина может совершать работу Для подъема небольших грузов.
Внутренняя энергия тела (обозначается как E или U) представляет собой сумму действия молекулярных взаимодействий и теплового движения молекул. Внутренняя энергия тела не может быть измерена немедленно.
